農村住宅節能改造中空氣間層的利用

文 // 李軍 唐艷芬 張道山 北京節能環保中心

農村住宅節能改造中空氣間層的利用

文 // 李軍 唐艷芬 張道山 北京節能環保中心

農村住宅建筑圍護結構保溫性能差，耗熱量大，既增加了農戶采暖經濟負擔，降低了室內熱舒適度，又耗費了大量劣質散煤，加重了環境空氣污染。鑒于這種情況，當前一些地方政府部門開始推行農村住宅的保溫節能改造。農村住宅保溫改造，除了更換門窗，加貼外墻保溫板外，還要善于利用房屋悶頂、兩相鄰外墻、兩道門或窗之間的空氣間層，發揮空氣導熱系數小、熱阻大的特點，減小圍護結構散熱量，既方便經濟，又效果明顯，可以起到事半功倍的效果。

1 兩道窗或門間空氣間層

節能改造前，農戶住宅均已安裝單玻外窗。改造中，不少農戶將原有單玻窗拆除，更換為雙玻窗，舊窗低價處理或報廢，給農戶造成了經濟損失，也帶來資源的浪費。事實上，農戶住宅外墻大多為370mm黏土磚墻，外墻厚度可以滿足在原窗戶一側再安裝一道外窗，形成“一道窗戶+空氣間層+一道窗戶”的圍護結構。現以“一道單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+一道雙玻塑鋼窗”的結構為例，計算它的傳熱系數。

傳熱系數計算公式(1)為：

式中：αn－圍護結構內表面換熱系數，W/(m2·K)；

αw－圍護結構外表面換熱系數，W/(m2·K)；

δ－圍護結構各層材料厚度，m；

λ－圍護結構各層材料導熱系數，W/(m·K)；

αλ－材料導熱修正系數；

Rk－封閉空氣單層的熱阻，m2·K/W。

玻璃厚度δ=4 m m，導熱系數λ=0.76 W/m·K；雙玻窗空氣層厚度12 m m，熱阻Rk=0.146 m2·K/W，兩道窗戶之間6 0 m m封閉空氣間層熱阻Rk=0.2 m2·K/W；窗框PVC材料熱阻Rk=0.376m2·K/W；αn=8.7W/m2·K，αw=23 W/m2·K。將上述數據代入(1)式，求得玻璃的傳熱系數Kg=1.9W/m2·K，窗框的傳熱系數Kf=0.9 W/m2·K。

窗戶的傳熱系數計算式(2)為：

式中：Ff－窗框的面積，m2；

Fg－玻璃的面積，m2；

ηf－窗框占窗戶面積的百分比，%。

將Kg、Kf值低入（2）式，取ηf=20%，可求得“一道單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+一道雙玻塑鋼窗”的結構綜合傳熱系數K=1.7W/m2·K。

若將上述的雙玻塑鋼窗更換為單玻塑鋼窗，構成“單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+單玻塑鋼窗”的結構，經計算，其綜合傳熱系數K=2.5W/m2·K，滿足《農村居住建筑節能設計標準》寒冷地區南向外窗傳熱系數2.8W/m2·K的限值。考慮到農村住宅窗戶面積大，窗墻比大，窗戶耗熱量大，同時安裝單框雙玻窗有政府財政補貼，多數農戶選擇安裝雙玻窗戶。

外門可采取相同的處理辦法，在門洞處增加一道外門，形成兩道門+空氣間層的結構，其傳熱系數計算方法可參考窗戶傳熱系數的計算方法。

2 悶頂空氣間層

農村住宅以坡屋頂居多，由上到下構成材料為黏土瓦、草泥、木望板、檁條，室內為石膏板吊頂，吊頂與屋面之間是悶頂。實地調查發現，不少農戶住宅的悶頂并非完全封閉，而是一個內外連通的空間，檁條與前、后檐墻接觸處存在拳頭大小的空隙，一些農戶悶項兩側山墻上開有未安裝檢修門的人孔。這些孔洞成為悶頂內空氣與環境空氣交換的通道，降低了悶頂內空氣溫度，增加了吊頂散熱。

現計算當悶頂為非封閉空間時，屋頂的傳熱系數。吊頂材料為紙面石膏板，厚度δ=12mm，導熱系數λ=0.33W/m·K，αn=8.7W/m2·K，αw=12 W/m2·K。用公式（1）得到屋面傳熱系數K1=4.27W/m2·K。

將悶頂外圍護結構與室外環境連通的孔洞封堵，在悶頂內構成一個封閉的空氣層，使屋面、悶頂和吊頂形成多層熱傳遞通道，其綜合傳熱系數按公式（4）計算：

式中：K－屋面和吊頂的綜合傳熱系數，W/m2·K；

K1－吊頂的傳熱系數，W/m2·K；

K－ 屋面的傳熱系數，W/m2·K；

α－屋面和吊頂的夾角。

屋面黏土瓦厚度δ=10mm，導熱系數λ=0.43W/m·K；草泥厚度δ=70mm，λ=0.67W/m·K；木望板δ=15mm，λ=0.15W/m·K；αn=7.6W/m2·K，αw=23W/m2·K。計算得到屋面的傳熱系數K2=2.44W/(m2·K)。

取α=30°，將K1、K2代入（4）式，得到屋面和吊頂的綜合傳熱系數K=1.7W/m2·K,比悶頂不封閉時單純吊頂的傳熱系數減小了2.57W/m2·K。

3 外墻間空氣間層

農村每戶的建筑外墻幾乎均為獨立外墻，很少與左右鄰居共用外墻，相鄰兩戶并排房屋外墻間通常有一道10cm左右的縫隙。縫隙內空氣與室外空氣流通交換，兩側370mm黏土磚墻直接與室外空氣接觸，傳熱系數K=1.57 W/(m2·K)。這樣的外墻，因為沒有施工空間，外保溫無法進行。但是，如果將相鄰外墻間的空隙用磚、泥封堵，在兩道外墻間形成封閉的空氣層，隔斷內外空氣的流通，則可有效減少外墻散熱。

圍護結構的基本耗熱量計算公式為（5）：

式中：Q－圍護結構基本耗熱量，W；

α－圍護結構溫差修正系數；

F－圍護結構的面積，m2；

K－圍護結構的傳熱系數，W/m2·K；

tn－供暖室內設計溫度，℃；

twn－供暖室外計算溫度，℃。

將相鄰兩外墻間縫隙封堵，形成封閉的空氣間層。這兩道外墻即可視作伸縮縫墻或沉降縫墻，根據公式（5），伸縮縫墻、沉降縫墻圍護結構溫差修正系數α=0.3，此即等同于將外墻傳熱系數減小了70%，由K=1.57W/m2·K變為K=0.47 W/m2·K，達到《農村居住建筑節能設計標準》外墻傳熱系數不得高于2.5 W/m2·K 的限值要求。

表1 各圍護結構構成、面積、傳熱系數及設計熱負荷

表2 改造后圍護結構構成、面積、傳熱系數及設計熱負荷

4 空氣間層保溫效果

現以北京市某農村住宅為例，比對改造前后的節能效果。該建筑坐北朝南，東西長14.9m，南北寬7.3m，建筑面積108.8m2，室內凈高3.25m。四周外墻為370mm黏土磚墻；雙坡屋頂，由黏土瓦、草泥、木望板、檁條構成，室內為石膏板吊頂。南向外墻安裝單玻塑鋼玻璃門1個，面積8.58m2；單玻塑鋼窗4個，總面積26m2。室內設計溫度14℃。各圍護結構構成、面積、傳熱系數及設計熱負荷見下表1。

現在原窗門孔洞再安裝一道雙玻塑鋼窗或門，兩道窗或門間距60mm。悶頂外墻上與室外空氣貫通的所有孔洞進行封堵，東、西向外墻與相鄰住戶外墻間的空隙進行封堵，在北墻外加貼50mm厚EPS外保溫板。改造后各圍護結構構成、傳熱系數及設計熱負荷見表2。

可以看出，節能改造后，外窗和外門的散熱量減少了64%，東、西向外墻散熱量減少了70%，屋面散熱量減小了56%。三項改造綜合節能7753W，比改造前節能46%，效果非常明顯。

5 結語

農村住宅保溫改造，結合實際情況，巧用善用空氣間層，可有效減少外圍護結構散熱，降低室外空氣滲透，提高室內熱舒適度，具有工程量小、費用低、對住戶影響小、效果好等特點，工程實踐中具有一定推廣意義。